基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED智能照明控制系統(tǒng)

1、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED智能照明控制系統(tǒng) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi) 姓 名 專 業(yè) 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 二O一五年六月 目 錄 中文摘要 . I 英文摘要 . II 前言 . III 1 智能照明系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析 . 1 1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介 . 1 1.2 照明系統(tǒng)現(xiàn)狀分析 . 2 1.3 物聯(lián)網(wǎng)下的智能照明 . 2 2 總體方案設(shè)計(jì) . 5 2.1 系統(tǒng)的需求分析 . 5 2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì) . 5 2.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì) . 6協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式 . 6控制協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn) . 7 3 硬件設(shè)計(jì) . 8 3.1 電源模塊 . 8 3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) . 10 3

2、.3 WIFI模塊 . 10 3.3.1 ESP8266模塊電路設(shè)計(jì) . 10 3.3.2 ESP8266模塊特性 . 11 3.3.3 ESP8266模塊功耗 . 11 3.4 按鍵輸入模塊電路的設(shè)計(jì) . 12 3.5 RGB 燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) . 12 3.5.1 WS2811主要特點(diǎn) . 13 3.5.2 WS2811概述 . 13 3.5.3 WS2811管腳說明 . 14 4 wifi模塊使用 . 16 4.1 工作模式 . 16 4.2 AT指令集 . 16 4.2.1 基礎(chǔ)AT指令 . 17 4.2.2 WiFi功能AT指令 . 17 4.3.3 TCP/IP工具箱 AT指令 .

3、19 5 軟件設(shè)計(jì) . 26 5.1 軟件總流程圖 . 26 5.2 RGB燈驅(qū)動(dòng)程序編寫 . 27 5.3 WIFI驅(qū)動(dòng)編寫 . 31 5.4 數(shù)據(jù)幀處理機(jī)制 . 32 總 結(jié) . 40 致謝 . 42 參考文獻(xiàn) . 43 附錄一 原理圖 . 44 附錄二 實(shí)物圖 . 45 附錄三 客戶端操作界面截圖 . 46 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 摘 要 WIFI是短距離、低成本無線通訊技術(shù)之一。它可以用于替代移動(dòng)設(shè)備之間的通訊電纜，從而形成個(gè)人無線網(wǎng)絡(luò)。它不僅使計(jì)算機(jī)和通信的融合成為可能，而且隨著它的不斷進(jìn)步，還可以把家電、娛樂電子產(chǎn)品與計(jì)算機(jī)、

4、通信系統(tǒng)的終端融為一體，使人們在家里、辦公室或者公共場所就能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的操作和控制，為辦公室的自動(dòng)化和家庭通信的實(shí)施創(chuàng)造了良好的條件。隨著電子科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，給人類生活帶來了根本性的改變。尤其是單片機(jī)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用發(fā)展，現(xiàn)在產(chǎn)品幾乎已經(jīng)走進(jìn)了千家萬戶。基于WIFI的 控制多彩臺(tái)燈設(shè)計(jì)正是響應(yīng)當(dāng)前無線控制發(fā)展浪潮設(shè)計(jì)的作品，其中涉及的WIFI無線通訊技術(shù)就是WIFI的典型應(yīng)用，它的開發(fā)為后期研究奠定了基礎(chǔ)。本文從通過 WIFI進(jìn)行PWM控制的角度來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。本文介紹了一個(gè)WIFI控制的PWM調(diào)光RGB燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理。具體闡述了PWM控制下的三基色混光原

5、理；及利用先進(jìn)WIFI技術(shù)控制下的工作原理，從而確定整個(gè)設(shè)計(jì)的方案和調(diào)試步驟。 關(guān)鍵詞： WIFI；三基色混光；PWM控制；TCP/IP I 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) THINGS TECHNOLOGY INDOOR LED LIGHTING CONTROL SYSTEM Abstract WIFI is a short distance, one low-cost wireless communication technology. It can be used to replace the communication cable between the mobile devi

6、ce, thereby forming a personal wireless network. It not only makes the integration of computers and communications become possible, but as it continues to progress, but also integrated terminal appliances, entertainment electronics and computers, communication systems, right, so that people in the h

7、ome, office or public place can be achieved unified operation and control for the implementation of office automation and home communications has created good conditions. With the rapid development of electronic science and technology, especially with the large-scale integrated circuits, to human li

8、fe brought fundamental change. Especially the development and application of SCM technology development, product now almost into the household. Control Based WIFI phone colorful lamp design is responsive to current wave of development of wireless control design work, which involved a typical applica

9、tion WIFI wireless communication technology is WIFI, which developed the foundation for the later study.In this paper, by phone WIFI PWM control angle for design. This article describes the system structure and working principle of a WIFI control PWM dimming RGB lights. Specifically addressed the th

10、ree primary colors mixed light under PWM control principle; and the use of advanced WIFI technology works under control in order to determine the overall design of the program and debug procedures. Key words: WIFI; tricolor mixed light; PWM control; TCP / IP II 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 前言 使用智能照明控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的

11、照明控制具有很大的優(yōu)越性。首先，它具有良好的節(jié)能效果。智能照明控制系統(tǒng)能夠借助各種不同的用戶根據(jù)自身喜好預(yù)先設(shè)置的控制方式和控制元件，對不同時(shí)間、不同環(huán)境的光照度和范圍進(jìn)行精確設(shè)置和合理管理，這樣在保證使用的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這種自動(dòng)調(diào)節(jié)的方式，能夠充分利用室外的自然采光，只有必需時(shí)才把燈點(diǎn)亮或點(diǎn)到要求的亮度，它和自然光配合共同照明，利用最少的能源保證所要求的照度水平，節(jié)電效果很明顯，一般可達(dá)到30%以上。 智能照明控制系統(tǒng)的另一大功效是改善工作環(huán)境，提高工作效率。良好的工作環(huán)境是提高工作效率的一個(gè)必要條件，這也能間接的帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。良好的設(shè)計(jì)燈具布局，合理地選用光源燈具，營造舒適的照明環(huán)

12、境，配合優(yōu)良的照明控制系統(tǒng)，都能很好的提高照明質(zhì)量。智能照明控制系統(tǒng)用調(diào)光模塊控制面板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開關(guān)控制燈具，可以將燈具的開關(guān)和照度預(yù)先設(shè)置為不同的模式，用戶可以簡單的通過界面來選擇最適合的照明模式，不僅更加舒適，還能有效地控制各房間內(nèi)整體的照度值，從而提高照度均勻性。 智能照明控制系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了多種照明效果。多種照明控制方式，可以使同一建筑空間具備多種照明效果，以適應(yīng)不同的需求?，F(xiàn)代建筑物中，照明不僅單純地為滿足人們視覺上的明暗需求，更應(yīng)具備多種的控制方案，使建筑物功能更加多樣化，也能給人豐富的視覺效果和美感。 III 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 1 智能照明系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析 物聯(lián)

13、網(wǎng)是當(dāng)下一種新的思維方式，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將帶來更多新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)并沒有很多全新的技術(shù)，應(yīng)用創(chuàng)新與用戶體驗(yàn)才是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的同時(shí)，另一個(gè)和物聯(lián)網(wǎng)看似毫無關(guān)系的方面也在和物聯(lián)網(wǎng)越來越有關(guān)，那就是智能照明系統(tǒng)。智能照明不僅僅是一種簡單的照明控制課題，它在帶來舒適性的同時(shí)也能大量的節(jié)約能源，傳統(tǒng)的智能照明技術(shù)已經(jīng)能夠很大幅度的節(jié)能，但是它的各部分控制仍然是割裂開的。如果能將物聯(lián)網(wǎng)和智能照明結(jié)合，將更大程度的提高智能照明的節(jié)能效果和照明的智能度與舒適度。本文基于目前對于物聯(lián)網(wǎng)和智能照明的各項(xiàng)研究，分析了二者結(jié)合的基本情況和發(fā)展前景，并對于其中的一些關(guān)鍵技術(shù)和功能進(jìn)行了簡單的概述。

14、 1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介 物聯(lián)網(wǎng)被定義為：射頻識別（RFID），紅外傳感器，全球定位系統(tǒng)，激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，以連接到因特網(wǎng)的任何物品，是信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別，定位，跟蹤，網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)概念提出于1999年含義就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，核心和基礎(chǔ)的東西仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是基于互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)和擴(kuò)展;第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。下圖所示為物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)鋱D。 圖1.1 物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)鋱D 就其本身來說，物聯(lián)網(wǎng)代表了下一代信息發(fā)展技術(shù)，但是就它的某些應(yīng)用 1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 領(lǐng)域和應(yīng)用方式來

15、說，中國公眾也不算太生疏。它是對現(xiàn)有信息技術(shù)的統(tǒng)一聚合應(yīng)用和升華，物聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、感知技術(shù)、人工智能和自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)行一定的集成并應(yīng)用到了更廣闊的范圍，實(shí)現(xiàn)了人與物、物與物之間的對話，創(chuàng)造出了一個(gè)更加智慧的世界。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息技術(shù)有著千絲萬縷的聯(lián)系，它們在各個(gè)層次和方面都有著不可或缺的關(guān)系，物聯(lián)網(wǎng)具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性和集成性，也有著廣闊的創(chuàng)新和發(fā)展前景，因此物聯(lián)網(wǎng)又被稱作信息技術(shù)的第三次革命性創(chuàng)新。 1.2 照明系統(tǒng)現(xiàn)狀分析 由于當(dāng)今世界能源的緊缺，節(jié)約能源成為了目前各用能領(lǐng)域的趨勢。而現(xiàn)代建筑物的能耗相當(dāng)大，跟據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，建筑的能耗占整個(gè)國家能耗總量的30%，建筑物的能耗通

16、常體現(xiàn)在建筑設(shè)備的能耗上。由于建筑布局的原因，許多建筑在白天也需要進(jìn)行人工照明, 照明用電已成為建筑的主要能耗之一。根據(jù)能耗分析表明，建筑照明能耗占基本能耗的12%以上。建筑照明因而成為節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。另外照明負(fù)荷占大樓冷負(fù)荷的16%，降低照明的功耗和從而降低照明系統(tǒng)的發(fā)熱量也十分重要。因此，照明系統(tǒng)的節(jié)能改造顯得特別的重要。 隨著目前燈具科技的發(fā)展，LED燈具逐漸成為節(jié)能的主力軍。LED燈具被稱為第四代照明燈具，光源具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等優(yōu)點(diǎn)，隨著LED 發(fā)光效率的不斷提高，以及價(jià)格逐步下降，LED 光源在通用照明方面具有很大的優(yōu)勢。LED光源最大的特點(diǎn)就是同等照度條件下的功率比傳

17、統(tǒng)燈具低很多，因此，采用LED燈具能夠很大程度的節(jié)能。節(jié)能除了設(shè)備上的更新，控制系統(tǒng)的優(yōu)化也能起到很大的作用。因此，除了將原先老式的照明燈具改造為新的高效燈具，還可以通過更加智能的照明控制，幫助建筑節(jié)能和實(shí)現(xiàn)更好的控制。 1.3 物聯(lián)網(wǎng)下的智能照明 顯然，獨(dú)立的照明控制已經(jīng)發(fā)展的很成熟，但是很多時(shí)候使用者無法準(zhǔn)確的根據(jù)情況設(shè)置參數(shù)。而且外界情況多變，僅僅靠非專業(yè)的使用者來控制無法達(dá)到最佳的效果。而且，任何的控制幾乎都要在現(xiàn)場進(jìn)行。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，使用者可以利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)對室內(nèi)照明設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控和控制，室內(nèi)照明發(fā)生故障時(shí)能自動(dòng)發(fā)送電子郵件或短信進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)室內(nèi)照 2 基于物聯(lián)

18、網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 明制造商可以通過網(wǎng)絡(luò)在線指導(dǎo)用戶排除故障或?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行售后跟蹤服務(wù)。 物聯(lián)網(wǎng)賦予照明控制的另一大優(yōu)勢是：室內(nèi)照明能夠記錄使用者的習(xí)慣和生活方式，利用情景感知技術(shù)提供人與家電、環(huán)境的自然交互，不僅如此，它還可以預(yù)測使用者的需求和使用，在物聯(lián)網(wǎng)這一廣闊平臺(tái)上，室內(nèi)照明系統(tǒng)必將為用戶帶來全新的生活方式。室內(nèi)照明系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖1.2 智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)之所以“聰明能干”的首要原因在于其自適應(yīng)的特征。物聯(lián)網(wǎng)所提供的大量的傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)以及射頻識別等技術(shù)，通過傳感器及微處理控制系統(tǒng)，使物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)能夠“感知”環(huán)境，根據(jù)外界情

19、況的變化作出相應(yīng)的解決方案，為用戶提供最適宜、最自然的服務(wù)。 圖1.3 智能照明控制框圖 3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 上圖所示即為智能照明系統(tǒng)控制原理，物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)內(nèi)置的傳感器感知外部環(huán)境變化后，根據(jù)自身?xiàng)l件、不同的情況做出不同的工作方案，以適應(yīng)不同的需求、時(shí)刻保持最佳狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)還可通過對用戶習(xí)慣的學(xué)習(xí)，替用戶省去大量狀態(tài)設(shè)定的操作，使用起來更加輕松便捷人性化，而且一旦用戶習(xí)慣改變，物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)也能隨之產(chǎn)生新的設(shè)定。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能照明行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展迅速，但是這種技術(shù)的初期投入高，而且只有在成熟的社會(huì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)下才能發(fā)揮最大的效用，因此需要全社

20、會(huì)各行各業(yè)的支持和參與，并且需要國家相關(guān)政策的大力扶持。先進(jìn)的智能照明系統(tǒng)不但節(jié)約能源，還可以提升城市的形象、美化居室環(huán)境，給人們提供更加安全和舒適的照明環(huán)境。隨著社會(huì)的發(fā)展和人們對于照明要求的不斷提高，智能照明系統(tǒng)也在朝著結(jié)構(gòu)多樣化、應(yīng)用擴(kuò)大化的方向快速發(fā)展。智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用將會(huì)有更多的創(chuàng)意和創(chuàng)新，也將會(huì)有更多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被結(jié)合到智能照明系統(tǒng)中。相信通過物聯(lián)網(wǎng)的幫助，一個(gè)智能化的照明新時(shí)代正在向我們走來，人類的照明生活將會(huì)更加智能和舒適。 4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 2 總體方案設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì)是關(guān)系到產(chǎn)品定位，器件選型和技術(shù)路線的關(guān)鍵行設(shè)計(jì)，它主要包括以下內(nèi)容：

21、2.1 系統(tǒng)的需求分析 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是為了實(shí)現(xiàn)安卓 /PAD通過安裝APP來控制彩色LED燈的顏色、亮度。整個(gè)系統(tǒng)主要包含通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分，其中通信系統(tǒng)使用WIFI模塊通過UDP協(xié)議來完成單片機(jī)和 /PAD之間的數(shù)據(jù)傳輸，控制系統(tǒng)使用增強(qiáng)型51單片機(jī)產(chǎn)生四路PWM信號實(shí)現(xiàn)對彩燈的顏色、亮度調(diào)整，為了保證脫離網(wǎng)絡(luò)和 也能控制燈光，本系統(tǒng)還可以設(shè)計(jì)幾組按鍵來調(diào)整燈光顏色和開關(guān)。系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)功能如下： （1）整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由燈控終端建立一個(gè)wifi熱點(diǎn)無需外網(wǎng)接入，數(shù)據(jù)傳輸層采用的是 UDP 協(xié)議通信機(jī)制。對LED燈能夠?qū)崿F(xiàn)開、關(guān)、調(diào)光功能。 （2）由于整個(gè)

22、系統(tǒng)是建立在 WIFI 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的，對WIFI模塊建立的熱點(diǎn)默認(rèn)SSID是“MY_RGB”，密碼是“0123456789”為了保證保證通信安全，網(wǎng)絡(luò)采用了WPA2加密方式。 （3） 客戶端和燈控終端通信使用的是UDP通信方式，燈控終端處于server模式監(jiān)聽7136端口, 客戶端會(huì)將控制數(shù)據(jù)幀發(fā)送到這個(gè)端口經(jīng)單片機(jī)解析數(shù)據(jù)后實(shí)現(xiàn)對燈光的控制。 （4）燈控終端在正常使用時(shí)要求在同一時(shí)間內(nèi)單盞燈只能接受一個(gè)客戶端的請求，以避免命令信息的錯(cuò)亂現(xiàn)象。 2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：一是用按鍵對彩色LED 燈的控制包括開關(guān)、調(diào)光、調(diào)色等；二是能夠通過安卓客戶端來對LED 燈控制。室

23、內(nèi)LED智能照明系統(tǒng)主體框架由 客戶端、燈控終端兩個(gè)部分組成，其中系統(tǒng)終端部分是本文研究的重點(diǎn)，由 WIFI 終端AP節(jié)點(diǎn)、STC15F408AD單片機(jī)、RGB燈、RGB燈構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。LED智能照明系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 2.1 所示： 5 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 圖2.1 室內(nèi)LED智能照明系統(tǒng)總體架構(gòu)圖 過上圖可以看出，室內(nèi)LED智能照明系統(tǒng)主體框架由 客戶端、及系燈光控制終端兩個(gè)部分組成，各部分具體功能分析如下： （1） /PAD 客戶端：本系統(tǒng)客戶端部分是基于 Android 操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，通過搭建 eclipse 軟件開發(fā)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的界面功能。 （2）燈

24、光控制終端：該部分主要由 WIFI 模塊、STC15F408AD單片機(jī)及RGB燈PWM驅(qū)動(dòng)電路，電源模塊。 AP作為終端的無線通信設(shè)備，主要用來實(shí)現(xiàn)同 客戶端之間的數(shù)據(jù)有效傳輸功能，數(shù)據(jù)的具體交換過程可通過系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)議來完成。STC15F408AD 單片機(jī)作為系統(tǒng)終端的控制備，主要實(shí)現(xiàn)的功能有串口數(shù)據(jù)交換、PWM 調(diào)光脈沖的產(chǎn)生、按鍵處理以及燈光控制終端數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。 2.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì) 通信協(xié)議是是室內(nèi)LED智能照明控制系統(tǒng)至關(guān)重要的部分，它是連接 /PAD客戶端和燈光控制終端的橋梁，對于本系統(tǒng)來說需要設(shè)計(jì)一套通過wifi傳輸控制彩色LED燈的顏色，亮度以及開關(guān)控制。協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式 完整的

25、一幀數(shù)據(jù)包括：幀頭、命令、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)及幀尾。 幀頭：也叫起始符，是數(shù)據(jù)開始接收的標(biāo)志，為了避免數(shù)據(jù)幀的長度過大，本系統(tǒng)起始符僅采用1個(gè)字節(jié)，設(shè)置幀頭的實(shí)際作用為當(dāng)一幀數(shù)據(jù)過來以后，只有碰到幀頭數(shù)據(jù)位時(shí)單片機(jī)才才開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并等到幀結(jié)束調(diào)用相應(yīng)函數(shù)執(zhí) 6 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 行命令。 命令：命令數(shù)據(jù)段的作用是讓終端知道客戶端發(fā)過來的數(shù)據(jù)包是為了執(zhí)行什么操作，單片機(jī)就是通過識別這一字段來回調(diào)函數(shù)執(zhí)行相應(yīng)操作。 數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)位是協(xié)議的核心組成部分，終端功能的具體實(shí)現(xiàn)過程都是由數(shù)據(jù)位來保障的，不同的功能對數(shù)據(jù)位的要求也各不相同。 校驗(yàn)：校驗(yàn)的方式有奇偶校驗(yàn)、CRC 校驗(yàn)、BCC 校驗(yàn)

26、及代碼和檢驗(yàn)等，本文采用的是代碼和校驗(yàn)方式,校驗(yàn)和為命令和幀頭的求和。 幀尾：其作用為標(biāo)識一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，當(dāng)單片機(jī)檢測到幀尾數(shù)據(jù)到來時(shí)將關(guān)閉其后數(shù)據(jù)的接收?？刂茀f(xié)議的具體實(shí)現(xiàn) 由于本系統(tǒng)使用TCP/IP協(xié)議棧的UDP通信來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，UDP協(xié)議已經(jīng)具有數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能避免物理層傳輸錯(cuò)誤，因此在實(shí)際制作中并不需要自己去做一套數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，對于一個(gè)彩燈來說，為了實(shí)現(xiàn)對其顏色，亮度控制只需要控制RGB三個(gè)通道PWM值即可，在本系統(tǒng)中PWM均使用8位分辨率，可以合成16777216種色彩（通常所說的16萬色），所以協(xié)議只需要實(shí)現(xiàn)對這三個(gè)顏色通道PWM值控制即可滿足要求。 在 客戶端與燈控終端通信過程中每

27、一個(gè)數(shù)據(jù)幀均以字符“s”開頭，接下來是命令幀，為了讓命令更直觀，這里直接使用了字符串“red”，“blue”，“green”來表示相應(yīng)通道命令關(guān)鍵字，由于這幾個(gè)關(guān)鍵字長度不定，為了區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和命令需要用分隔符隔開命令關(guān)鍵字和數(shù)據(jù)區(qū)，這里用的是字符“=”隔開數(shù)據(jù)和命令。緊跟著“=”是PWM值，這里為了直觀和方便安卓編程直接使用了該數(shù)值的十進(jìn)制ASCII來表示，例如數(shù)據(jù)幀“sred=000”表示關(guān)閉紅色通道輸出（置R通道PWM值為0），數(shù)據(jù)幀“sbule=255”表示置B通道PWM值為OXFF（最大占空比）。 7 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 3 硬件設(shè)計(jì) 基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)LED智能照明控

28、制系統(tǒng)由RGB燈驅(qū)動(dòng)模塊電路、WiFi模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵輸入模塊、電源模塊組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖所示： 圖3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 各個(gè)電路模塊設(shè)計(jì)圖，共有以下五部分組成，分別是WiFi模塊電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、按鍵輸入電路、RGB燈驅(qū)動(dòng)電路模塊電路設(shè)計(jì)、電源電路模塊。 3.1 電源模塊 對于硬件設(shè)計(jì)來說，首先要解決的就是整個(gè)系統(tǒng)的供電問題，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。51單片機(jī)雖然使用時(shí)間最早、應(yīng) 用范圍最廣，但是在實(shí)際使用過程中，一個(gè)和典型的問題就是相比其他系列的單片機(jī)，51單片機(jī)更容易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，克服這種現(xiàn)象出現(xiàn)的一個(gè)重要手段就是為單片機(jī)系統(tǒng)

29、配置一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源供電模塊。 本系統(tǒng)包含多個(gè)模塊，他們所需的供電電壓也不同，總體來說需要和5V兩路供電，為wifi模塊供電，單片機(jī)和LED使用5V供電。通過在圖書館對相關(guān)資料的查詢和指導(dǎo)老師的指點(diǎn)，本設(shè)計(jì)的電源模塊的設(shè)計(jì)電路圖如下圖所示： 8 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 圖3.2 電源模塊 圖所示是物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)LED智能照明控制系統(tǒng)中的電源電路模塊部分，5V到電壓的轉(zhuǎn)換采用ASM1117直流低壓差線性穩(wěn)壓器。 AMS1117是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩(wěn)壓電路，在輸出1A電流時(shí)，輸入輸出的電壓差典型值為。AMS1117分為兩個(gè)版本，固定電壓輸出版本和可調(diào)電壓輸出版本，固定輸出

30、版本的輸出電壓可以為：，和，可調(diào)電壓輸出版本能提供的輸出電壓范圍為：。AMS1117內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路,確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 AMS1117特性： （1） 能提供包括固定電壓輸出版本（固定電壓包括，5V）跟三 端可調(diào)電壓輸出版本最高輸出電流可達(dá)A輸出電壓精度高達(dá)2； （2） 穩(wěn)定工作電壓范圍為高達(dá)12V； （3） 內(nèi)部集成限流功能； （4） 具有過熱切斷保護(hù)； （5） 工作溫度范圍：-20-120； 9 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。 對51系列單片機(jī)來說，最小系

31、統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。而本系統(tǒng)采用STC15F408AD單片機(jī)內(nèi)部集成了復(fù)位電路，及內(nèi)部RC振蕩器所以省去了大部分外部電路。最小系統(tǒng)只需提供必要的ISP下載調(diào)試接口，提供穩(wěn)定的電源濾波即可。 單片機(jī)最小系電路圖如下圖所示： 圖3.3 最小單片機(jī)系統(tǒng) 3.3 WIFI模塊 本系統(tǒng)使用ESP8266串口WiFi模塊作為網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備。ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi 透傳模塊，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。 3.3.1 ESP8266模塊電路設(shè)計(jì) 通

32、過ESP8266模塊，單片機(jī)只需要通過串口發(fā)送AT指令即可完成嵌入式設(shè)備與Internet和局域網(wǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。在使用過程中模塊與單片機(jī)之間的連接僅需要占用一個(gè)UART端口，下圖是wifi模塊與單片機(jī)之間的連接原理圖。 10 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 圖3.4 WIFI電路模塊 3.3.2 ESP8266模塊特性 （1） 支持無線802.11 b/g/n 標(biāo)準(zhǔn) （2） 支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式 （3） 內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持多路TCP Client連接 （4） 支持豐富的Socket AT指令 （5） 支持UART/GPIO數(shù)據(jù)通信接口 （6） 支

33、持Smart Link 智能聯(lián)網(wǎng)功能 （7） 內(nèi)置32位MCU，可兼作應(yīng)用處理器 （8） 超低能耗，適合電池供電應(yīng)用 （9） 3.3V 單電源供電 3.3.3 ESP8266模塊功耗 由于wifi處于頻段，雖然高頻保證了信號帶寬，但是高頻信號穿墻能力差而且衰減很快，而且這個(gè)頻段屬于免執(zhí)照開放頻段干擾較大，所以市售的wifi產(chǎn)品一般功耗較大，對電壓穩(wěn)定性要求也很苛刻，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有必要對ESP8266模塊進(jìn)行一個(gè)功耗測試，下表所示功耗數(shù)據(jù)是基于的電源、25°的環(huán)境溫度下測得。 11 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 表3.1 ESP8266功耗測試 3.4 按鍵輸入模塊

34、電路的設(shè)計(jì) 常用的按鍵驅(qū)動(dòng)有矩陣鍵盤和IO直接驅(qū)動(dòng)，由于本系統(tǒng)按鍵數(shù)量少，直接使用了IO直接驅(qū)動(dòng)方式，圖為本設(shè)計(jì)所使用的按鍵電路。 圖3.5 按鍵電路原理 3.5 RGB 燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) RGB燈采用三原色混光原理，通過控制R、G、B三原色亮度比例調(diào)節(jié)發(fā)光顏色，本系統(tǒng)采用PWM調(diào)光技術(shù)，需要較高的開關(guān)速度、較大的瞬間電流。普通三極管和繼電器不能滿足系統(tǒng)要求。所以本系統(tǒng)采用LED專用驅(qū)動(dòng)芯片 12 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) WS2811來驅(qū)動(dòng)RGB燈。圖是電路原理圖。 圖3.6 RGB燈驅(qū)動(dòng)電路模塊 3.5.1 WS2811主要特點(diǎn) 輸出端口耐壓15V。 芯片內(nèi)置穩(wěn)壓管，24V以下

35、電源端只需串電阻到ICVDD腳，無需外加 穩(wěn)壓管。 灰度調(diào)節(jié)電路（256級灰度可調(diào)）。 內(nèi)置信號整形電路，任何一個(gè)IC收到信號后經(jīng)過其他各種LED燈飾產(chǎn) 品.波形整形再輸出，保證線路波形畸變不會(huì)累加。 內(nèi)置上電復(fù)位和掉電復(fù)位電路. PWM控制端能夠?qū)崿F(xiàn)256級調(diào)節(jié)，掃描頻率不低于400Hz/s 串行接口級聯(lián)接口，能通過一根信號線完成數(shù)據(jù)的接收與解碼. 任意兩點(diǎn)傳傳輸距離超過10米而無需增加任何電路. 當(dāng)刷新速率30幀/秒時(shí)，低速模式級聯(lián)數(shù)不小于512點(diǎn)，高速模式不小 于1024點(diǎn). 數(shù)據(jù)發(fā)送速度可達(dá)400Kbps與800Kbps兩種模式. 3.5.2 WS2811概述 WS2811是三通道LE

36、D驅(qū)動(dòng)控制專用電路，芯片內(nèi)部包含了智能數(shù)字接口 13 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 數(shù)據(jù)鎖存信號整形放大驅(qū)動(dòng)電路，還包含有高精度的內(nèi)部振蕩器和15V高壓可編程定電流輸出驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，為了降低電源紋波，3個(gè)通道有一定的延時(shí)導(dǎo)通功能，這樣在幀刷新時(shí)，可降低電路紋波。 芯片采用單線歸零碼的通訊方式，芯片在上電復(fù)位以后，DIN端接受從控制器傳輸過來的數(shù)據(jù)，首先送過來的24bit數(shù)據(jù)被第一個(gè)芯片提取后，送到芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)鎖存器，剩余的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部整形處理電路整形放大后通過DO端口開始轉(zhuǎn)發(fā)輸出給下一個(gè)級聯(lián)的芯片，每經(jīng)過一個(gè)芯片的傳輸，信號減少24bit。芯片采用自動(dòng)整形轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，使得該芯片的級聯(lián)

37、個(gè)數(shù)不受信號傳送的限制，僅僅受限信號傳輸速度要求。 芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)鎖存器根據(jù)接受到的24bit數(shù)據(jù)，在OUTR、OUTG、OUTB控制端產(chǎn)生不同的占空比控制信號，等待DIN端輸入RESET信號時(shí)，所有芯片同步將接收到的數(shù)據(jù)送到各個(gè)段，芯片將在該信號結(jié)束后重新接受新的數(shù)據(jù)，在接受完開始的24bit數(shù)據(jù)后，通過DO口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)口，芯片在沒有接受到RESET碼前，OUTR、OUTG、OUTB管腳原輸出保持不變，當(dāng)接受到50s以上低電平RESET碼后，芯片將剛才接收到的24bitPWM數(shù)據(jù)脈寬輸出到OUTR、OUTG、OUTB引腳上。 3.5.3 WS2811管腳說明 圖3.7 WS2811引腳 圖為W

38、S2811 RGB燈驅(qū)動(dòng)芯片管腳排列和名稱，為了更詳細(xì)的說名WS2811的使用方式，下面列出每個(gè)管腳的詳細(xì)說明，如下表所示: 14 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 表3.2 WS2811引腳說明 15 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 4 wifi模塊使用 4.1 工作模式 ESP8266模塊支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式： （1）STA 模式：ESP8266模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)， 或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。 （2）AP 模式：ESP8266模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn) 或電腦直接與模塊通信，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。 （3）STA+AP 模式：兩種模式的共存模式，

39、即可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制可實(shí)現(xiàn)無縫切換，方便操作。 4.2 AT指令集 ESP8266模塊與單片機(jī)之間采用UART 通過AT指令集通信，指令又分為基礎(chǔ)AT指令、 WiFi功能AT指令、TCP/IP 工具箱AT命令等。 每條指令可以有細(xì)分四種命令 ，如下表所示： 表4.1 AT指令類別 由于模塊本身AT指令數(shù)量較多，此處只對本系統(tǒng)使用到的AT指令和常用的指令作介紹。 16 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 4.2.1 基礎(chǔ)AT指令 （1） 測試AT：表為命令語法說明。 表4.2 測試AT語法規(guī)則 （2） 重啟模塊：表是重啟命令使用規(guī)則。 表4.3 重啟模塊語法規(guī)則 4.2.2 WiFi功能AT

40、指令 （3） 選擇WiFi應(yīng)用模式：表為命令語法，是命令參數(shù)。 表4.4 選擇wifi應(yīng)用模式語法規(guī)則 17 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 表4.5 選擇wifi應(yīng)用模式參數(shù)定義 （4） 設(shè)置AP模式下的參數(shù): 表為命令語法，是命令參數(shù)。 表 設(shè)置AP模式語法規(guī)則 表4.7 設(shè)置AP模式參數(shù)定義 18 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 4.3.3 TCP/IP工具箱 AT指令 （1）建立TCP/UDP連接：表為命令語法，是命令參數(shù)。 表4.8 建立TCP/UDP連接語法規(guī)則 19 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 表4.9 建立TCP/UDP連接參數(shù)定義 （2）獲得TCP

41、/UDP連接狀態(tài)：表為命令語法，是命令參數(shù)。 表4.10 獲得TCP/UDP連接狀態(tài)語法規(guī)則 20 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 表4.11 獲得TCP/UDP連接狀態(tài)參數(shù)定義 21 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) （1）啟動(dòng)連接：表為命令語法，是命令參數(shù)。 表啟動(dòng)連接語法規(guī)則 表啟動(dòng)連接參數(shù)定義 22 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) （2）發(fā)送數(shù)據(jù)：表為命令語法，是命令參數(shù)。 表4.14 發(fā)送數(shù)據(jù)語法規(guī)則 23 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 表4.15 發(fā)送數(shù)據(jù)參數(shù)定義 （3）關(guān)閉TCP/UDP連接：表為命令語法，是命令參數(shù)。 表關(guān)閉TCP/UDP連接語法

42、規(guī)則 24 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 表4.17 關(guān)閉TCP/UDP連接參數(shù)定義 （1） 獲取本地IP地址：表為命令語法，是命令參數(shù)。 表4.18 獲取本地IP地址語法規(guī)則 表4.19 獲取本地IP地址參數(shù)定義 25 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 5 軟件設(shè)計(jì) 5.1 軟件總流程圖 燈控終端核心是STC15F408AD單片機(jī)，單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)使用KEIL C51編譯器，源程序采用C語言編寫。真?zhèn)€程序使用面向?qū)ο缶幊谭绞?，事件均為消息?qū)動(dòng)方式。程序主要有主函數(shù)和串口中斷處理兩大部分，他們之間的消息傳遞通過全局緩沖區(qū)和標(biāo)志位進(jìn)行消息傳遞，整個(gè)軟件流程圖如圖所示： 圖5.1 軟件流程圖 26 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 5.2 RGB燈驅(qū)動(dòng)程序編寫 由于本系統(tǒng)RGB燈驅(qū)動(dòng)采用了WS2811專用驅(qū)動(dòng)芯片，故需要寫底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光，WS2811采用單線歸零碼的通訊方式，芯片在上電復(fù)位以后，DIN端接受從控制器傳輸過來的數(shù)據(jù)，首先送過來的24bit數(shù)據(jù)被第一個(gè)芯片提取后，送到芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)鎖存器，剩余的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部整形處